CS223391B1

CS223391B1 - Mirror-lens system for simultaneous lighting and object observation

Info

Publication number: CS223391B1
Application number: CS833181A
Authority: CS
Inventors: Antonin Baudys; Ladislav Klaboch
Original assignee: Antonin Baudys; Ladislav Klaboch
Priority date: 1981-11-12
Filing date: 1981-11-12
Publication date: 1983-10-28

Abstract

Vynález se týká zrcadlo-čočkové soustavy pro současné osvětlení a pozorování předmětu, zejména pro použití u diferenciálních laserových dopplerovských anemometrů, u nichž je vynálezem řešen problém zvýšení veličiny „Poměr signálu k šumu“ při současném zjednodušení optické soustavy. Podle obr. 4 je na společné optická ose (o) umístěn čočkový objektiv (1) soustřeďující jím procházející osvětlovací svazky (13) do ohniska na pozorovaný předmět (6) na jeho jedné straně. Na druhé straně jsou v odlišné vzdálenosti uspořádány dvě odrazné plochy (27, 28), z nichž vzdálenější odrazná plocha (28) má vnější rozměry větší, než je čočkový objektiv (1) a na jeho druhé straně nanesená bližší odrazná plocha (27). Rozptýlené světlo (4), odražené od pozorovaného předmětu (6), se odraznými plochami (27, 28) odráží do zobrazovací roviny vytvářeného obrazu (10) pozorovaného předmětu (6).BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a mirror-lens system for simultaneous illumination and observation of an object, particularly for use with differential laser Doppler anemometers in which the problem of increasing the signal-to-noise ratio while simplifying the optical system is solved. Referring to FIG. 4, a lens lens (1) is positioned on a common optical axis (o) to concentrate the light beams (13) passing through it to the focus on the object (6) on one side thereof. On the other hand, two reflective surfaces (27, 28) are arranged at a different distance from which the distant reflective surface (28) has outer dimensions larger than the lens objective (1) and on its other side a closer reflective surface (27). The scattered light (4) reflected from the observed object (6) with the reflecting surfaces (27, 28) is reflected in the display plane of the image (10) of the object (6) being observed.

Description

Vynález se týká zrcadlo-čočkové soustavy pro současné osvětlení a pozorování předmětu, zejména pro použití u diferenciálních laserových dopplerovských anemometrů, u nichž je vynálezem řešen problém zvýšení veličiny „Poměr signálu k šumu“ při současném zjednodušení optické soustavy.The present invention relates to a mirror-lens system for simultaneous illumination and object observation, in particular for use in differential laser doppler anemometers, in which the invention solves the problem of increasing the "Signal to Noise Ratio" while simplifying the optical system.

Podle obr. 4 je na společné optická ose (o) umístěn čočkový objektiv (1) soustřeďující jím procházející osvětlovací svazky (13) do ohniska na pozorovaný předmět (6) na jeho jedné straně. Na druhé straně jsou v odlišné vzdálenosti uspořádány dvě odrazné plochy (27, 28), z nichž vzdálenější odrazná plocha (28) má vnější rozměry větší, než je čočkový objektiv (1) a na jeho druhé straně nanesená bližší odrazná plocha (27). Rozptýlené světlo (4), odražené od pozorovaného předmětu (6), se odraznými plochami (27, 28) odráží do zobrazovací roviny vytvářeného obrazu (10) pozorovaného předmětu (6).According to FIG. 4, on the common optical axis (o), a lens objective (1) concentrating the illuminating beams (13) passing through it is placed in the focus on the object (6) to be observed on one side thereof. On the other hand, two reflective surfaces (27, 28) are arranged at different distances, of which the more distant reflective surface (28) has external dimensions larger than the lens objective (1) and on the other side a closer reflective surface (27) is applied. The scattered light (4) reflected from the object (6) with reflection surfaces (27, 28) reflects into the display plane of the formed object (10) of the object (6) to be viewed.

Vynález se týká zrcacllo-čočkové soustavy pro současné osvětlení a pozorování předmětu, zejména pro použití u diferenciálních laserových dopplerovských anemometrů, u nichž je vynálezem řešen problém zvýšení veličiny „Poměr signálu k šumu“ při současném zjednodušení optické soustavy.The invention relates to a mirror-lens system for simultaneous illumination and object observation, in particular for use in differential laser doppler anemometers, in which the invention solves the problem of increasing the "Signal to Noise Ratio" while simplifying the optical system.

Dosud známé a používané řešení problému zvýšení veličiny „Poměr signálu k šumu“ spočívá ve zvětšení průměru gaussovských laserových osvětlovacích svazků. Zvětšení se dosahuje tím, že se pomocí hranolové soustavy zmenší vzdálenost dvou úzkých laserových svazků, které dále vstoupí do afokální soustavy Galileova typu, která opět rozteč laserových svazků zvětší, při současném zvětšení jejich průměrů. Za touto afokální soustavou je umístěn objektiv, v jehož ohnisku se oba laserové svazky protínají a vytvářejí měřicí prostor se soustavou interferenčních rovin.A known and used solution to the problem of increasing the signal-to-noise ratio is to increase the diameter of Gaussian laser light beams. The magnification is achieved by reducing the distance of two narrow laser beams by means of a prismatic system, which in turn enters the Galileo-type apocalic system, which again increases the laser beam pitch while increasing their diameters. Behind this apocalic system is an objective in which both laser beams intersect and form a measuring space with a system of interference planes.

Protože tato složitá optická soustava může zapříčinit měřitelné porušení rovnoběžnosti laserových svazků s ideální optickou osou, je zapotřebí zařadit do jednoho laserového svazku soustavu dvou optických klínů, tak zvaný diasporametr.Since this complex optical system can cause a measurable failure of the parallelism of the laser beams with an ideal optical axis, it is necessary to incorporate into a single laser beam a system of two optical wedges, the so-called diasporimeter.

Hmotné částice, které protékají měřicím prostorem, rozptylují světlo, které je v prostoru vymezeném mezi sbíhajícími se osvětlovacími laserovými svazky sbíráno a prochází toutéž soustavou zpět a je dalším objektivem kolimováno do dírkové clonky. Dále opticky zpracováno dopadá na světlocitlivé čidlo anemometru.The particulate matter that flows through the measurement space scatters the light that is collected in the space between the converging illuminating laser beams and passes back through the same assembly, and is collimated into the pinhole by another objective. Further optically processed impacts on the light-sensitive anemometer sensor.

Výhodou výše uvedené optické soustavy pro zvýšení veličiny „Poměr signálu k šumu“ je to, že lze stejnou afokální soustavu použít pro různé objektivy anemometru.An advantage of the above optical system for increasing the "Signal to Noise Ratio" is that the same apocalypse can be used for different anemometer lenses.

Její nevýhoda je poměrná složitost použité optické soustavy, která se skládá z hranolové soustavy, diasporametru a afokální Galileovy předsádkové soustavy, což se projeví i na zvětšené stavební délce a v její vyšší cenové náročnosti.Its disadvantage is the relative complexity of the optical system used, which consists of a prism system, diasporimeter and an afocal Galile conversion system, which is reflected in the increased construction length and in its higher cost demands.

Uvedené nevýhody odstraňuje podle vynálezu zrcadlo-čočková soustava pro současné osvětlení a pozorování předmětu, kde podstata vynálezu spočívá v tom, že na společné optické oss je umístěn čočkový objektiv s pozorovaným předmětem na jeho jedné straně a s dvěma odraznými plochami odlišně vzdálenými od jeho druhé strany, z nichž alespoň vzdálenější odrazná plocha, přivrácená k pozorovanému předmětu, je vydutá, rotačně symetrická a s většími vnějšími rozměry, než jsou čočkový objektiv a k ní přivrácená bližší odrazná plocha, kolmá na optickou osu. Pozorovaný předmět je umístěn v ohnisku čočkového objektivu, kterým jsou na něj soustřeďovány osvětlovací paprsky, zatímco dopadu rozptýleného světla, odraženého od pozorovaného předmětu, je vystavena vzdálenější odrazná plocha částí své plochy vymezenou uvnitř zastíněním od čočkového objektivu a/nebo od bližší odrazné plochy, a tvarovanou pro odraz dopadajícího rozptýleného světla na bližší odraznou plochu, která je tvarována pro odraz na ni dopadajícího odraženého rozptýleného světla do její zobrazovací roviny, v níž je umístěn vytvářený obraz pozorovaného předmětu.According to the present invention, a mirror-lens arrangement for simultaneous illumination and object observation removes the above-mentioned disadvantages, wherein the object of the present invention is to provide a common objective lens with an observed object on one side and two reflective surfaces different from its other side. of which at least the more distant reflective surface facing the object to be viewed is concave, rotationally symmetrical and with larger external dimensions than the lens objective and the closer reflective surface facing it perpendicular to the optical axis. The object to be viewed is located in the focus of the lens objective, by which the light rays are centered on it, while the scattered light reflected from the object is exposed to the distant reflective surface of portions of its area defined within the shading from the lens objective and / or shaped to reflect incident scattered light on a proximate reflection surface, which is shaped to reflect incident scattered light onto its imaging plane in which the generated image of the object to be viewed is located.

Alternativy provedení vynálezu se týkají různého tvarování a umístění bližší odrazné plochy, která například může být podle jedné alternativy přímo nanesena na ploše druhé strany čočkového objektivu s otvory pro průchod osvětlovacích svazků.Alternatives to embodiments of the invention relate to the different shaping and location of a closer reflective surface, which, for example, may, according to one alternative, be directly applied to the surface of the other side of the lens objective with openings for the passage of the illumination beams.

Zvýšení veličiny „Poměr signálu k šumu“ se dociluje tím, že se zrcadlo-čočkovou soustavou sbírá několikanásobně více rozptýleného světla než dosud známými optickými soustavami. Účinek je dosažen jedním kulovým zrcadlem a jedním kolimačním objektivem oproti hranolové soustavě, diasporametru, Galileově afokální předsádce, kolimačnímu objektivu a objektivu před dírkovou clonkou u dosud používaných zařízení.The increase in the "Signal to Noise Ratio" is achieved by collecting several times more scattered light than the optical systems known to date by mirror-lens systems. The effect is achieved with one spherical mirror and one collimating objective against the prism, diasporimeter, Galileo apocalypse lens, collimating objective and the lens in front of the pinhole in the devices used to date.

Provedení vynálezu je schematicky znázorněno na výkresech, kde představuje obr. 1 zrcadlo-čočkovou soustavu s bližší odraznou plochou uvnitř obalového pláště osvětlovacích paprsků, obr. 2 soustavu s prstencovou bližší odraznou plochou vně tohoto obalového pláště, obr. 3 uspořádání soustavy s rovinnou bližší odraznou plochou a s převráceným zobrazením pozorovaného předmětu, a obr. 4 soustavu s bližší odraznou plochou nanesenou na druhé straně čočkového objektivu.An embodiment of the invention is shown schematically in the drawings, in which: Figure 1 shows a mirror-lens assembly with a nearer reflective surface inside the illuminating beam housing, Figure 2 shows an annular nearer reflective area outside this housing; and FIG. 4 shows a system with a nearer reflection surface applied to the other side of the lens objective.

S přihlédnutím k obr. 1 až 4 je na společné optické ose o umístěn čočkový objektiv 1 s pozorovaným předmětem 6 na jeho jedné straně a s dvěma odraznými plochami 7, 17, 27, 37 a 8, 18, 28, 38 odlišně vzdálenými od jeho druhé strany, z nichž alespoň vzdálenější odrazná plocha 8, 18, 28, 38, přivrácená k pozorovanému předmětu 8, je vydutá, rotačně symetrická a s většími vnějšími rozměry, než jsou čočkový objektiv 1, a k ní přivrácená bližší odrazná plocha 7, 17, 27, 37, kolmá na optickou osu o.Referring to Figures 1 to 4, on the common optical axis o there is a lens lens 1 with the object to be observed 6 on one side thereof and with two reflective surfaces 7, 17, 27, 37 and 8, 18, 28, 38 different from its other the sides of which at least the more distant reflective surface 8, 18, 28, 38 facing the object 8 is concave, rotationally symmetrical and with larger external dimensions than the lens objective 1, and the closer reflective surface 7, 17, 27 facing it, 37, perpendicular to the optical axis o.

Pozorovaný předmět 6 je umístěn v ohnisku čočkového objektivu 1, kterým jsou na něj soustřeďovány osvětlovací paprsky 3 nebo osvětlovací svazky 13.The object 6 to be observed is located in the focus of the lens objective 1 by which the illumination beams 3 or the illumination beams 13 are focused.

Dopadu rozptýleného světla 4, odraženého od pozorovaného předmětu 6, je vystavena vzdálenější odrazná plocha 8, 18, 28, 38 prstencovou částí své plochy vymezenou unitř zastíněním od čočkového objektivu 1 a/nebo od bližší odrazné plochy 7, 17, 27, 37.The distant reflective surface 8, 18, 28, 38 is exposed to the scattered light 4 reflected from the object 6 by an annular portion of its surface delimited by the shade from the lens objective 1 and / or from the near reflective surface 7, 17, 27, 37.

Prstencová část plochy je tvarována pro odraz dopadajícího rozptýleného světla 4 na bližší odraznou plochu 7, 17, 27, 37, která je tvarována pro odraz na ni dopadajícího odraženého rozptýleného světla 4 do její zobrazovací roviny, v níž je umístěn vytvářený obraz 10 pozorovaného předmětu 6.The annular portion of the surface is shaped to reflect the incident scattered light 4 on a proximate reflection surface 7, 17, 27, 37, which is shaped to reflect the incident scattered light 4 reflected in its imaging plane in which the generated image 10 of the observed object 6 is located. .

V alternativní úpravě provedení vynálezu podle obr. 1 má bližší odrazná plocha 7 opsaný průměr menší, než je vepsaný průměr obalového pláště osvětlovacích paprsků 3 nebo osvětlovacích svazků 13, který je opět menší než opsaný průměr čočkového objektivu 1.In an alternative embodiment of the invention according to FIG. 1, the closer reflective surface 7 has a circumscribed diameter smaller than the inscribed diameter of the envelope of the illumination beams 3 or illumination beams 13, which is again smaller than the circumscribed diameter of the lens objective 1.

V následné alternativě podle obr. 2 má prstencová bližší odrazná plocha 17 tvar prstence, jehož vepsaný průměr je větší, než je opsaný průměr obalového pláště osvětlovacích paprsků 3 nebo osvětlovacích svazkůIn a subsequent alternative according to FIG. 2, the annular proximal reflective surface 17 has the shape of a ring whose inscribed diameter is greater than the circumscribed diameter of the envelope of the illumination beams 3 or illumination beams.

13.13.

Podle další alternativy provedení je bližší odrazná plocha 7, 17, 27 vypuklá a rotačně sym3tr^:cká.According to another alternative embodiment, the additional reflective surface 7, 17, 27 and the convex rotational ^sym3tr: CKA.

Podle jiné alternativy na obr. 4 je nanesená bližší odrazná plocha 27 vytvořena na ploše druhé strany čočkového objektivu 1. Zaujímá-li celciu její plochu, jsou v ní pro průchod osvětlovacích paprsků nebo svazků 3, 13 provedeny otvory.According to another alternative in Fig. 4, the closer reflective surface 27 applied is formed on the surface of the other side of the lens objective 1. If it has the entire surface thereof, apertures are provided therein for the passage of the light beams or beams 3, 13.

Ze zbývající alternativě je zdroj osvětlení pozorovaného předmětu 6 tvořen laserem, jehož výstup je rozdělen na dva až čtyři osvětlovací svazky 13, vytvářející v prostoru pozorovaného předmětu 6 nejméně jednu soustavu interferenčních rovin.Of the remaining alternative, the illumination source of the object 6 is formed by a laser, the output of which is divided into two to four light beams 13, forming at least one set of interference planes in the space of the object 6.

Jednou z možných alternativ podle obr. 3 Je uspořádání, při kterém se převrací vytvářený obraz 10 pozorovaného předmětu S v obrazové rovině.One possible alternative according to FIG. 3 is an arrangement in which the formed image 10 of the observed object S is inverted in the image plane.

Zrcadlo-čočková soustava umožňuje podle požadavku optické přenosové cesty kombinovat znaky vynálezu různě mezi sebou. Bližší odrazná plocha může mít tvar rovinný nebo vypuklý, rotačně symetrický; může se nalézat uvnitř nebo vně vůči obalovému plášti osvětlovacích paprsků nebo svazků 3, 13; může být vytvořena například napařením přímo na druhé straně čočkového objektivu 1; vytvářený obraz 10 může být převrácený; optická osa o na obou stranách čočkového objektivu 1 může být rovinnými zrcadly zalomena; rovněž směs osvětlovacích paprsků nebo svazků 3, 13 před vstupem do čočkového objektivu 1 může být vychýlen.The mirror-lens arrangement allows the features of the invention to be combined differently with each other, as required by the optical transmission path. The closer reflecting surface may have a plane or convex shape, rotationally symmetrical; it may be located inside or outside the sheath of the illumination beams or beams 3, 13; it can be formed, for example, by steaming directly on the other side of the lens objective 1; the image formed 10 may be inverted; the optical axis o on both sides of the objective lens 1 may be angled by planar mirrors; also, the mixture of illumination beams or beams 3, 13 prior to entering the lens objective 1 can be deflected.

Zrcadlo-čočková soustava podle vynálezu je uzavřena tíírkovou clonkou 5, která je proložena zobrazovací rovinou vytvářeného obrazu 10 pozorovaného předmětu 6. Podle požadovaného účelu použití této soustavy jsou pak připojována další zařízení nebo optické členy.The mirror-lens arrangement according to the invention is closed by a screen diaphragm 5, which is interlaced with the imaging plane of the formed image 10 of the observed object 6. Further devices or optical elements are then connected according to the desired purpose of use of this arrangement.

V oblasti použití pro diferenciální laserový dopplerovský anemometr například podle obr. 4 je zdroj osvětlení pozorovaného předmětu 8 tvořen laserem. Výstup laseru je rozdělen na dva až čtyři laserové osvětlovací svazky 13 procházející čočkovým objektivem 1, které vytvářejí v prostoru pozorovaného předmětu 6 nejméně jednu soustavu interferenčních rovin. Hmotné částice prolétající tímto měřicím prostorem v ohnisku čočkového objektivu 1 rozptylují osvětlovací paprsky 3, respsktivs osvětlovací svazky 13 do okolního prostoru, z něhož se pro další zpracovávání zužitkovává rozptýlené světlo 4 vymezené kuželem s vrcholem v místě pozorovaného předmětu S, a dále zastíněním prostřednictvím čočkového objektivu 1 a/nebo nanesené bližší odrazné plochy 27. Rozptýlené světlo 4 je sbíráno prstencovou částí kulové vzdálenější odrazné plochy 28, od níž se odráží na nanesenou bližší odraznou plochu 27 a od ní do dírkové clonky 5, proložené zobrazovací rovinou vytvářeného obrazu 10 hmotných částic. Z dírkové clonky 5 se odražené rozptýlené světlo 4 vede k dalšímu zpracování.In the field of application for a differential laser doppler anemometer, for example according to FIG. 4, the illumination source of the observed object 8 is formed by a laser. The laser output is divided into two to four laser illumination beams 13 passing through the objective lens 1, which form at least one set of interference planes in the space of the object to be observed. The particulate matter passing through the measuring space in the focus of the lens objective 1 scatters the illumination beams 3 or the illumination beams 13 into the surrounding space, from which the diffused light 4 delimited by the cone peaking at the object S is utilized for further processing. The diffused light 4 is collected by the annular portion of the spherical distal reflective surface 28, from which it is reflected on the applied closer reflective surface 27 and therefrom into the aperture 5 intersected by the imaging plane of the generated image 10 of the particulate matter. Reflected scattered light 4 is led from the pinhole 5 to further processing.

Jinou možnou oblastí použití zrcadlo-čočkové soustavy podle vynálezu jsou mikroskopy. Pro toto použití se užívají osvětlovací paprsky 3 běžného světelného záření.Another possible field of application of the mirror-lens arrangement according to the invention is microscopes. For this use, light beams 3 of conventional light radiation are used.

Vynález je zejména vhodný pro užití v souvislosti s měřením rychlosti proudícího prostředí pomocí diferenciálního laserového dopplerovského anemometru.The invention is particularly suitable for use in connection with the measurement of the velocity of the flowing medium by means of a differential laser doppler anemometer.

Claims

Subject

A mirror-lens arrangement for simultaneous illumination and observation of an object, consisting of a lens objective and two reflective surfaces with a common optical axis, at least one reflecting surface of which is optional and rotationally symmetrical, the object being viewed on one side of the lens objective; the source of illumination and possibly the image of the object to be observed are located on the other side of the objective lens, characterized in that on the common optical axis (o) there is a lens objective (1) with the object to be observed (6) on one side and two reflective surfaces (7, 17, 27, 37, and 8, 18, 28, 38) at different distances from the other side thereof, at least the more distant reflective surface (8, 18, 28, 38 j of the object to be observed) is concave , rotationally symmetrical and larger

OF THE INVENTION external dimensions other than the lens objective (1j and the closer reflective surface (7, 17, 27, 37) facing it, perpendicular to the optical axis (drawbar), the object (6) being located in the focus of the lens objective (1) illuminated beams (3) or beams (13) are concentrated thereon, while a more reflective surface (8, 18, 28, 38) is exposed to the scattered light (4) reflected from the object (6) by portions of its area delimited by it inside, by shading from the lens objective (1) and / or near the reflective surface (7, 17, 27, 37), and shaped to reflect incident scattered light (4) on the proximal reflective surface (7, 17, 27, 37) which it is shaped to reflect the reflected scattered light reflected therefrom (4j) into its imaging plane, in which the generated image (10) of the object (6) to be viewed is located.

Mirror-lens assembly according to claim 1, characterized in that the proximal reflective surface (7) has a circumscribed diameter smaller than the inscribed diameter of the envelope of the illumination beams (3) or the illumination beams (13) which is smaller than the circumscribed diameter of the lens. lens (lj.

3. A mirror-lens arrangement according to claim 1, characterized in that the annular proximal reflecting surface (17) has the shape of a ring whose inscribed diameter is greater than the circumscribed diameter of the envelope of the illumination beams (3) or illumination beams (13).

Mirror-lens arrangement according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the proximal reflection surface (7, 17, 27) is convex and rotationally symmetrical.

Mirror-lens arrangement according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the proximal reflection surface (27) applied is formed on the surface of the other side of the lens objective (1).

Mirror-lens assembly according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the illumination source of the object (6) is formed by a laser, the output of which is divided into two to four light beams (13) forming at least one set of interference planes.

Mirror-lens assembly according to claim 5, characterized in that apertures for the passage of the illumination beams (3) or illumination beams (13) are provided in the proximal reflection surface (27) formed on the surface of the other side of the lens objective (1).